正常和畸形人脑血管图谱

A single-cell atlas of the normal and malformed human brain vasculature

期刊：Science

影响因子：41

发表单位：University of California, San Francisco, CA, USA.

发表时间：2022年3月

研究背景

脑血管系统是血液循环的导管网络，确保氧气、能量代谢物和其他营养物质传递到大脑，同时清除大脑代谢的副产物且防止循环毒素进入。脑血流中断、结构损伤和出血导致的中风，是世界范围内导致死亡和残疾的主要原因。

方法流程

文章对181,388个单细胞进行scRNA-seq，获得了成人脑血管和动静脉畸形的细胞图谱，鉴定出40多种细胞种类，包括血管细胞、免疫细胞和邻近的神经元、胶质细胞等。随后作者在图谱基础上做了荧光原位杂交、细胞培养功能验证等一系列的验证实验，强调了人类脑血管系统中细胞功能和相互作用的转录组异质性，并定义了动静脉畸形的分子和细胞扰动，是年轻人中风的主要原因。

研究结果

1)成人脑血管系统的细胞和分子图谱

文章从接受切除术的癫痫患者中获得了正常的大脑皮质组织。显微解剖大小动脉、大小静脉和毛细血管。使用10X基因组平台从5个个体中分离了74,535个细胞，并生成了高质量的转录组，聚类识别了15个主要细胞群。

正常人脑血管系统的单细胞转录组图谱

2)人类内皮细胞的多样性和动静脉分带

通过CLDN5和PECAM1的表达鉴定，内皮细胞组成了6个簇，动脉分区内发现了三个内皮细胞簇，包括TXNIP簇，糖代谢和氧化应激的调节因子，可能代表动脉内皮细胞的代谢状态。

内皮细胞和外周血管细胞聚类细分

通过可视化内皮细胞动静脉分带的空间位置作者分别证实了血管中VEGFC+和ACKR21+内皮和与周围血管细胞的关系。人类血管细胞数据集捕获了人类内皮动静脉带的保守区别。

人类脑血管系统的空间RNA分析

3)畸形脑血管系统中的细胞异常

文章从动静脉畸形(AVM)样本中生成了一个scRNA-seq数据集。文章从5例AVM患者中获得了106,853个细胞，生成了高质量的全细胞转录组，并鉴定了11个主要细胞群。文章在空间上证实了CLDN5+内皮细胞、TAGLN+平滑肌细胞、CCL19+成纤维肌细胞和COL1A2+血管周围成纤维细胞。为了识别AVM中内皮细胞和血管周围细胞的分子变化，作者共嵌入了对照组和AVM scRNA-seq数据集，鉴定出差异表达的基因，并对每类血管细胞进行聚类。作者定义了AVM中异常基因表达的细胞组成和细胞特异性模式。

畸形人脑血管系统的单细胞转录组图谱

4)免疫细胞微环境和脑血管源性炎症

炎症在AVMs的形成中起作用。对与脑血管系统相关的免疫细胞群进行分析，发现在共嵌的细胞群中有17个免疫细胞簇。超过90%的循环免疫细胞，被限制在静息状态下的脑血管内。

血管相关的CD11c+抗原提呈细胞是大脑CD4+T细胞原位反应的有效激活因子。scRNAseq证实血管相关CD11c+细胞由髓系细胞组成，包括cdcs、pvMfs和一些小胶质细胞，作者发现AVM病灶中血管相关抗原提呈的髓系细胞的异质空间分布。离散区域似乎有更多的IBA1+P2RY12−巨噬细胞或IBA1+P2RY12+小胶质细胞。观察到明显的血管周围髓系细胞反应，IBA1+P2RY12−巨噬细胞在远离邻近血管的距离，与AVMs浸润一致。因此，在动静脉畸形中存在多种细胞和空间异质性的脑血管炎症反应。

脑血管炎症伴畸形

5)血管免疫细胞与脑出血的关系

出血性中风是动静脉畸形的严重后果。文章使用scMappR软件来消除细胞异质性，并计算AVM体积RNA-seq的细胞特异性基因表达特征。不同的浸润性免疫细胞状态随着AVM破裂而丰富。

文章还描述了脑血管来源性炎症的细胞本体与通信网络。血管细胞和免疫细胞之间的相互作用，如GPNMB+单核细胞和平滑肌细胞的相互作用，诱导了与脑出血相关的病理改变，可能会指导未来治疗方法的发展。

与脑动静脉畸形破裂有关的细胞状态

研究结论

本文利用单细胞转录组技术构建了成人脑血管和AVM的图谱，描述了人类成人脑血管系统中细胞功能和相互作用的转录组异质性。

该细胞图谱将为未来对其他人类疾病的研究提供信息，以加速对人类脑血管系统及其疾病机制的理解和治疗靶向性。

参考文献

1. S. Schaeffer, C. Iadecola, Revisiting the neurovascular unit. Nat. Neurosci. 24, 1198–1209 (2021). doi: 10.1038/ s41593-021-00904-7; pmid: 34354283

2. M. D. Sweeney, K. Kisler, A. Montagne, A. W. Toga, B. V. Zlokovic, The role of brain vasculature in neurodegenerative disorders. Nat. Neurosci. 21, 1318–1331 (2018). doi: 10.1038/ s41593-018-0234-x; pmid: 30250261

3. M. D. Sweeney, Z. Zhao, A. Montagne, A. R. Nelson, B. V. Zlokovic, Blood-brain barrier: From physiology to disease and back. Physiol. Rev. 99, 21–78 (2019). doi: 10.1152/physrev.00050.2017; pmid: 30280653

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